基于MiniGUI的GPS自動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為方便獲取移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，提出了基于MiniGUI的嵌入式GPS的自動(dòng)定位系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方法。硬件采用ARM7內(nèi)核嵌入式處理器LPC2103，使用GPS模塊接收地理位置信息，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)LCD、GPS接口、鍵盤以及最小系統(tǒng)硬件電路。軟件采用μC／OS-II操作系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)軟件多任務(wù)管理，使用MiniGUI制作圖形界面，并顯示數(shù)據(jù)。制作了樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的各項(xiàng)功能。
關(guān)鍵詞：GPS模塊；MiniGUI；LPC2103；μC／OS-II

引言
    基于GPS的衛(wèi)星定位技術(shù)，可以將移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)位置(包括經(jīng)度和緯度)、時(shí)間、狀態(tài)等信息通過無線通信鏈路實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心，從而在電子地圖上顯示出移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)的軌跡，并對(duì)終端的位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、報(bào)警信息等用戶感興趣的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。本文提出一種基于MiniGUI的嵌入式自動(dòng)定位系統(tǒng)，具有占用資源少、高性能、高可靠性及可配置的特點(diǎn)，并可以成功移植到多種硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)上。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用ARM7內(nèi)核的LPC2103處理器，軟件上采用占用硬件資源較少、實(shí)時(shí)性能和可移植性能優(yōu)良的μC／OS-II操作系統(tǒng)，圖形界面采用MiniGUI。
1．1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要功能包括：實(shí)時(shí)采集GPS數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；查詢當(dāng)前地理位置；通過MiniGUI圖形用戶界面顯示GPS數(shù)據(jù)。
1．2 整體硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)采用的LPC2103是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的16／32位ARM?TDMI-S CPU的微處理器，帶有32 KB高速Flash、8 KB SRAM，小型LQFP48封裝，低功耗，帶有2個(gè)URAT以及多個(gè)I／O接口，符合系統(tǒng)要求。GPS模塊SP3232E與LPC2103的串口0接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。受LPC2103引腳數(shù)量限制，4×4的鍵盤采用I2C輸入、輸出的7920芯片與LPC2103接口。LCD顯示采用TFT6758，液晶屏幕2．2 in，240×320點(diǎn)像素。
1．3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，基于MiniGUI的應(yīng)用程序通過ANSI C庫(kù)以及MiniGUI自身提供的API來實(shí)現(xiàn)自己的功能。底層驅(qū)動(dòng)包括鍵盤以及
TFT6758液晶顯示，為便于移植MiniGUI通過圖形抽象層和輸入抽象層與輸入、輸出設(shè)備接口。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)
    控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)如圖3所示。

    LPC2103最小系統(tǒng)需要模擬和數(shù)字3．3 V電源以及核心電源1．8 V。為便于波特率的設(shè)置，晶振頻率采用11．059 2 MHz。PO．14引腳通過10 kΩ電阻上拉禁止 ISP功能。DBGSEL引腳接高電平使能調(diào)試狀態(tài)，正常工作時(shí)接低電平。由阻容電路構(gòu)成低電平復(fù)位電路，SW-PB按鍵按下產(chǎn)生處理器復(fù)位信號(hào)。
2．2 GPS接口電路
    該電路主要作用是接收GPS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，保存到處理器存儲(chǔ)單元，處理后等待MiniGUI圖形用戶界面顯示。GPS模塊采用九針串口數(shù)據(jù)輸出，RS232電平，需要 SP3232E電平轉(zhuǎn)換芯片與LPC2103的串口O連接。SP3232E是3 V工作電源的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。接口電路如圖4所示。

2．3 鍵盤電路
    本系統(tǒng)采用4×4小鍵盤，用于數(shù)據(jù)輸入和模擬鼠標(biāo)。S13模擬左鍵，S15模擬右鍵，S9、S10、S11、s14分別模擬向左、下、右、上移動(dòng)鼠標(biāo)，其余為數(shù)字輸入鍵。由于LPC2103引腳數(shù)量限制，采用有I2C接口的7290芯片做鍵盤接口。鍵盤電路復(fù)位與系統(tǒng)復(fù)位共用nRST復(fù)位信號(hào)。有按鍵按下時(shí)，中斷信號(hào)通過EINTO送入LPC2103外部中斷處理單元。7290的I2C接口加4．7 kΩ的上拉電阻與LPC2103的I2C串行總線接口，I／O引腳為PO．2和PO．3。鍵盤電路如圖5所示。

2．4 TFT6758 LCD接口電路
    系統(tǒng)顯示采用2．2 in的TFT6758液晶屏，LCD控制器為HD66781。IM3和IM0引腳接地，采用16位總線方式與LPC2103連接，16位數(shù)據(jù)由DBl～DB8、DB1O～DB17輸入， TFT6758液晶屏的控制引腳CS、RS、WR、RD分別由P0．4～P0．7控制。其中PO．5高電平為數(shù)據(jù)操作，低電平為命令操作。TFT6758的復(fù)位由PO．24引腳控制。CAT32TDI為TFT6758白光LED驅(qū)動(dòng)的升壓芯片，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)串聯(lián)的白光LED。CAT32TDI的關(guān)閉由PO．26引腳控制。為在沒有配置LPC2103引腳時(shí)也能輸出背光，加10 kΩ上拉電阻。CAT32TDI為恒流輸出，大小由1．5 kΩ電阻控制，電流大小為15 mA。TFT6758 LCD接口電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 μC／OS-II在LPC2103上的移植
    與處理器無關(guān)的μC／OS-II源代碼可以直接在網(wǎng)上下載；與處理器相關(guān)的代碼需要自己根據(jù)LPC2103編寫，其中OS_CPU．H定義與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型。OS_CPU A．ASM實(shí)現(xiàn)的功能包括：使就緒優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)運(yùn)行；任務(wù)級(jí)切換；中斷后任務(wù)切換；實(shí)現(xiàn)周期性時(shí)鐘源。OS CPU C．C主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)堆棧的初始化。INCLUDES．H主頭文件包含程序所需的頭文件，方便程序編寫。通過OS_CFG．．H文件實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的配置和裁剪。
3．2 MiniGUI在LPC2103上的移植
    (1)MiniGUI的GAL移植
    為便于移植，MiniGUI引入圖形抽象層GAL，定義了一組不依賴任何特殊硬件的抽象接口，所有頂層的圖形操作建立在抽象接口上，類似于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)液晶驅(qū)動(dòng)模塊和LPC2103的硬件連接編寫液晶驅(qū)動(dòng)程序lcddriver．c和lcddriver．h。根據(jù)系統(tǒng)硬件編寫圖形引擎程序commlcd．c。圖形引擎程序需要調(diào)用液晶驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)。
    (2)MiniGUI的IAL移植
    MiniGUI通過INPUT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示輸入引擎，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義在ial．h文件中。INPUT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義很多函數(shù)指針，這些函數(shù)指針指向設(shè)定的IAL對(duì)應(yīng)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)硬件輸入。程序輸入引擎為comminput．c，通過底層鍵盤驅(qū)動(dòng)程序comm_driver．c讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)。該驅(qū)動(dòng)程序把16個(gè)鍵模擬成O～9數(shù)字鍵和鼠標(biāo)的左右鍵。
    (3)MiniGUI的交叉編譯
    使用ADSl．2集成開發(fā)環(huán)境建立MiniGUI Lib工程，工程下添加MiniGUI源文件以及配置文件，編譯生成MiniGUI_Lib．a(chǎn)庫(kù)文件。Lib．a(chǎn)文件是針對(duì)LPC2103和μC／OS-II操作系統(tǒng)的POSIX的線程庫(kù)，并提供了內(nèi)存管理接口以及I／O接口，共占用3 MB動(dòng)態(tài)內(nèi)存，使用1個(gè)μC／OS-II互斥信號(hào)量，優(yōu)先級(jí)42，每增加1個(gè)線程信號(hào)量增加3個(gè)，最大線程16個(gè)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)43～58，1個(gè)MiniGUI線程堆棧(8 KB)。
3．3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    (1)主程序設(shè)計(jì)
    主程序流程如圖7(a)所示，用來完成操作系統(tǒng)的初始化。其中使用語(yǔ)句OSTaskCreate(Task0，(void*)O，＆TaskStk[TaskStkLengh-1]，10)創(chuàng)建任務(wù)O；使用語(yǔ)句MiniGUI_app_entry()創(chuàng)建MiniGUI主線程；使用語(yǔ)句KevMbox=OSMboxCreate(NULL)建立一個(gè)郵箱，用于傳遞按鍵消息，最后開始多任務(wù)調(diào)度。

    (2)任務(wù)O設(shè)計(jì)
    任務(wù)O流程如圖7(b)所示，用來完成系統(tǒng)硬件的初始化。通過I2C接口的輸入引擎讀取按鍵鍵值，如有按鍵按下通過OSMboxPost(KeyMbo-x，(void*)&s_key_in)發(fā)送鍵值到KeyMbox郵箱。通過郵局OSTimeDly(5)交出CPU占用資源，運(yùn)行其他任務(wù)。
    (3)MiniGUI入口程序設(shè)計(jì)
    入口程序如圖7(c)所示，用來完成消息處理。使用語(yǔ)句InitMainWindow()初始化窗體；使用語(yǔ)句ShowWindow(hMainWnd，SW_SHOWNORMAL)顯示窗體，其中hMainWnd為窗體句柄；使用語(yǔ)句GetMessage(＆Msg，hMainWnd))獲取消息，其中Msg數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于保存消息；使用語(yǔ)句Trans-lateMessage(＆Msg)把消息送入隊(duì)列；使用語(yǔ)句DispatchMessage(＆Msg)分配信息給窗體回調(diào)函數(shù)；使用語(yǔ)句MainWindowThreadCleanup(hM-ainWnd)清除線程。
    (4)MiniGUI窗體回調(diào)程序設(shè)計(jì)
    窗體回涮函數(shù)流程如圖7(d)所示，根據(jù)消息類型確定要執(zhí)行的程序。如果消息類型為MSG-PAINT，先調(diào)用GPS數(shù)據(jù)讀取以及處理程序，用MiniGUI內(nèi)部函數(shù)TextOut(hdc，10，10，”顯示字符”)，在指定位置顯示字符；最后調(diào)用μC／OS-II系統(tǒng)函數(shù)OSTimeDly(100)開始任務(wù)調(diào)度。如果消息類型為MSG_CLOSE，用語(yǔ)句DestroyMainWindow(hWnd)銷毀窗體；用語(yǔ)句PostQuitMessage(hWnd)發(fā)送退出消息。

4 GPS的自動(dòng)定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
    系統(tǒng)軟件采用ADS V1．2開發(fā)、調(diào)試，使用PC機(jī)對(duì)MiniGUI源代碼進(jìn)行編譯，生成MiniGUI靜態(tài)鏈接庫(kù)文件MiniGUI-Lib．a(chǎn)。然后交叉編譯MiniGUI應(yīng)用程序，與MiniGUI靜態(tài)鏈接庫(kù)、POSIX線程庫(kù)鏈接，生成二進(jìn)制文件下載到LPC2103的Flash運(yùn)行。系統(tǒng)軟件編譯過程如圖8所示。

    GPS模塊和LPC2103串口0連接，并放置到室外，將生成的可執(zhí)行文件燒寫到LPC2103的Flash內(nèi)部，上電運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

結(jié)語(yǔ)
    本自動(dòng)定位系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有功耗低、速度快、可裁剪、可固化、實(shí)時(shí)性能優(yōu)越等特點(diǎn)。能夠準(zhǔn)確顯示經(jīng)度、緯度、系統(tǒng)日期、時(shí)間、海拔、航向、航速等信息，并可以對(duì)所處位置進(jìn)行查詢。